Die folgende Schaltung ist ein aktiver Strom-Spannungs-Wandler mit schaltbarer Verstärkung.
Nicht gezeigt: Der invertierende Eingang wird durch einen 10K-Widerstand niedrig gehalten, wenn die Schaltung eingeschaltet ist, aber nicht verwendet wird. Immer wenn eine Messung durchgeführt wird (einschließlich Kalibrierungsmessungen, bei denen IN schwebend ist), wird dieser Widerstand getrennt.
Die Versorgung der analogen Schalter und des Operationsverstärkers beträgt +/- 11,5 V. Der typische VOUT-Bereich liegt zwischen -10 V und +10 V.
Die Schaltung dient zur Messung von Strömen im Nanoampere-Bereich. Ein paar mV am Ausgang sind signifikant. Konstante Offsets sind kein wirkliches Problem, da sie leicht herauskalibriert werden können, indem der Ausgang mit einem offenen Eingang gemessen und von nachfolgenden Messungen subtrahiert wird.
Jede Platine hat 6 oder mehr dieser Schaltungen.
Der ausgewählte Operationsverstärker hat sehr kleine (< 10 pA) Offset- und Bias-Eingangsströme und eine sehr kleine Offset-Spannung (< 1 mV). Es ist ein AD8625AR .
SW1A und SW1B sind unterschiedliche Pole desselben CMOS-Schalters (ADG1236). Sie werden zusammengeschaltet, um den Rückkopplungswiderstand auszuwählen, der die Verstärkung des Wandlers bestimmt. Der maximale Leckstrom beträgt 1 nA an Source- und Drain-Pins, ein- oder ausgeschaltet. Der nicht gezeigte Schalter (um den invertierenden Eingang durch einen 10K-Widerstand niedrig zu halten) hat eine ähnliche Leistung. Typische Leckströme sind sehr klein (< 0,1 nA).
Das Problem, das ich habe, ist, dass bei einigen Chargen von Platinen einige (oder alle) dieser Schaltungen große Offsets haben, die beim Einschalten langsam abklingen. Die meisten Boards sind jedoch jederzeit perfekt stabil, mit kleinen Offsets.
Ein typischer Offset auf VOUT mit schwebendem IN ist < 1 mV. Auf betroffenen Platinen kann der Offset bis zu 120 mV betragen.
Wenn die betroffenen Platinen eingeschaltet werden, stabilisiert sich der Offset langsam (nach Stunden oder Tagen) auf ~5 mV. Nachdem die Stromversorgung unterbrochen wurde, summiert sich der Offset erneut, sodass er beim Einschalten nach ein paar Tagen ohne Unterbrechung wieder hoch ist.
Jedes Board hat eine Reihe dieser Schaltkreise. In der ersten Charge von 5 Boards waren alle betroffen. In der nächsten Charge waren keine betroffen. In der neuesten Charge hat jede Platine einen betroffenen Schaltkreis, und es ist nicht immer derselbe.
Im schlimmsten Fall würden die maximalen Leckströme aller Analogschalter 1,2 nA betragen, was zu einem Offset von 12 mV bei der höchsten Verstärkungseinstellung führt. Ich glaube also nicht, dass dies den gesamten Offset erklären kann, den ich sehe.
Woher könnte die Offset-Spannung sonst kommen? Gibt es einen allgemeinen Platinenfehler, der zu diesem Verhalten führen würde?
Paar Theorien hier:
Dies wird wahrscheinlich nicht die Möglichkeit ansprechen, dass Sie Probleme mit der dielektrischen Durchdringung haben, wie in der Antwort von @ RocketSurgeon besprochen.
Eine gute und einfache Möglichkeit, seine Antwort zu testen, wäre, eine der Kappen auf einer schlechten Platine zu entlöten und sie umzukehren. Wenn der Offset in die andere Richtung gedreht wird, handelt es sich um ein dielektrisches Durchdringungsproblem (da die dauerhafte Ladung in der Kappe eine einzelne Polarität hat). Wenn sich die Offset-Spannung nicht ändert, liegt das Problem nicht am Kondensator.
Eine Sache, die das Problem der dielektrischen Durchnässung meines Erachtens nicht erklärt, ist, warum die Ladung zurückzukommen scheint, wenn der Stromkreis nicht mit Strom versorgt wird, und verschwindet, wenn er mit Strom versorgt wird. Da das Element, das den Kondensator entlädt, kontinuierlich über die Kappe geschaltet ist (z. B. C1||R2, C2||R1), sollte der Beitrag eines aus der Kappe austretenden Stroms konstant sein und nicht von der Versorgungsspannung beeinflusst werden.
Das einzige, was mir einfällt, wäre, dass irgendwo etwas Hygroskopisches ist und es einen Offset-Strom injiziert. Wenn Sie das Board mit Strom versorgen, wärmt es sich auf und vertreibt die Feuchtigkeit mit der Zeit. Schalten Sie das Board aus und es beginnt Feuchtigkeit zu absorbieren.
Ein Kommentar, den ich habe, ist, dass ich nicht verstehe, warum Sie sowohl SW1A als auch SW1B haben. Sie können SW1B vollständig entsorgen. Verbinden Sie einfach beide R / C-Paare miteinander und mit dem Ausgang des Operationsverstärkers. Wenn einer der Kappen-/Widerstandssätze ausgewählt wird, entlädt sich der andere nur langsam. Solange ein Ende schwebend ist (was durch SW1A erreicht wird), ist die Spannung am anderen Ende irrelevant.
Theorie 1. Einweichen. Dies ist der dielektrische Absorptionseffekt. AKA Einweichen . Die Energiequelle ist eine Kondensatorladung, die vom Testaufbau des Kondensatorherstellers getragen wird. Die Folienkondensatoren wurden im Werk einige Minuten lang mit Hochspannung getestet, dann entladen und mit offenen Leitungen gelagert.
Über einige Monate driftet die absorbierte Restenergie (nicht unbedingt die Ladung, kann aber auch durch mechanisches Altern/Trocknen/Setzen verursacht werden) von der Innenseite der dielektrischen Schichten zu den Platten. Die Geschwindigkeit kann sehr langsam sein, sagen wir, die Zeitkonstante von Polypropylen multipliziert mit tausend (wenige Jahre für eine vollständige Entladung).
Dieser Effekt ist kaum untersucht. Es betrifft nur extreme Schaltungen wie Ihre mit Plastikkappen und TeraOhm-Operationsverstärkern. Der beste Wirkungsbericht stammt von Bob Pease von Nat Semi , als er mit Teflon- und pA-Strömen arbeitete.
Die Heilung dafür kann darin bestehen, dass der stromlose Stromkreis einige Stunden lang einer Gammastrahlungsquelle mittlerer Intensität ausgesetzt wird, um alle absorbierten Ladungen ohne physischen Kontakt mit den Teilen abzuleiten.
Eine andere Methode ist der Kauf von "älteren" Kondensatoren, die einige Monate länger gelagert wurden. Vergleichen Sie die Daten der Verschlüsse aus guter und schlechter Charge. Ich wette, die ältere Kondensatorcharge ist besser.
Oder fragen Sie bei der Bestellung von Kappen nach solchen, die über den Sommer näher am offenen Fenster gelagert wurden. Oder legen Sie zusammengebaute unbestromte Platinen auf eine trockene leitfähige Antistatikmatte und erhitzen Sie sie eine Stunde lang auf 150 °C (es sei denn, die Sauberkeit des pA-Schaltkreises verbietet solche Manipulationen).
Theorie 2. Induktionsstrom durch Thermokopplung. Der Thermokopplungsstrom kann durch Temperaturunterschiede zwischen zwei verschiedenen Metallen verursacht werden. Um herauszufinden, ob es das ist, tauchen Sie die Platine in ein gerührtes Ölbad und vergleichen Sie die Leistung mit einer in freier Luft.
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Steven T. Snyder
Das Photon
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